一种操纵杆线控转向控制方法

1.本发明属于汽车转向系统中的线控转向系统技术领域，具体涉及一种操纵杆线控转向控制方法。


背景技术：

2.当前汽车自动驾驶技术快速发展，在l3、l4级自动驾驶车辆上，既需要为驾驶员预留充足的活动空间，又需要保证手动驾驶的便捷性和安全性。传统的方向盘式机械转向系统操纵动作大、占用空间较多、限制更高规格安全气囊的安装、遮挡仪表、转向柱结构在碰撞时易对驾驶员造成伤害，并且方向盘与转向轮是联动的，车辆稳定性控制系统无法直接修正转向角；在自动驾驶系统工作时，易导致车内乘员活动对自动驾驶系统的干扰。
3.中国授权专利“一种基于操纵杆的线控转向系统角传动比控制方法(201210385476.3)”中，通过角传动比对操纵杆转角积分求出转向轮转角，未根据车辆运动状态采取稳定性辅助措施。当车辆在湿滑路面行驶或紧急转向时，由于轮胎侧偏力的饱和，车辆易产生侧滑或激转，进而失控。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种操纵杆线控转向控制方法，可以对转向角进行修正，提高操纵稳定性。
5.为了实现本发明目的，本发明提供的一种操纵杆线控转向控制方法，包括以下步骤：
6.步骤1、获取操纵杆转角；
7.步骤2、根据操纵杆转角大小和当前车速进行修正，得到理想稳态前轮转角；通过在转向中位设置一定的操纵死区，降低车辆直行时驾驶员的操纵负担；根据当前车速计算速度修正因子f
u
，通过改变不同车速下的转向传动比，使转向增益在各种行驶工况下都保持在合理范围，且在低速时能够达到前轮转角的极限位置；计算理想稳态前轮转角
8.步骤3、根据理想稳态前轮转角和车辆的线性二自由度参考模型，计算参考横摆角速度和参考质心侧偏角；
9.步骤4、判断当前实际横摆角速度和质心侧偏角与参考值的偏差是否达到阈值，若达到阈值，转入步骤5；否则，直接控制转向执行电机跟踪理想稳态前轮转角；
10.步骤5、采用基于模型预测算法的稳定性控制程序修正转向角并对左右车轮差动制动。
11.对本发明的进一步改进，操纵杆转角δ
d
的极限为
±
40
°
。
12.对本发明的进一步改进，步骤2所述得到理想稳态前轮转角的具体步骤为：
13.步骤2.1：根据操纵杆转角大小计算转角修正因子f
δ
；
14.步骤2.2：根据当前车辆行驶速度计算速度修正因子f
u
；
15.步骤2.3：基于转角修正因子f
δ
、速度修正因子f
u
操纵杆转角δ
d
得到理想稳态前轮
转角。理想稳态前轮转角的计算公式如下：
[0016][0017]
对本发明的进一步改进，步骤2.2中所述速度修正因子的设计方式如下：
[0018]
1)在低速时，前轮转角能达到极限位置，此时速度修正因子为前轮极限转角与操纵杆转角极限的比值；
[0019]
2)在中、高速度且小于临界速度时，保持操纵杆转角到横摆角速度响应的转向增益值k
r
恒定；
[0020]
此时速度修正因子为：
[0021][0022]
其中k为车辆的稳定性因数，l为轴距；
[0023]
3)在速度高于常用车速范围时，维持条件2)中计算得到的临界速度修正因子不变。
[0024]
对本发明的进一步改进，步骤3中所述车辆的线性二自由度参考模型如下：
[0025][0026]
其中，m为整车质量，i
z
为车辆的横摆转动惯量，a、b分别为前、后轴到质心的距离，c
f
、c
r
为前、后轴等效侧偏刚度，u为车辆行驶速度在纵向的分量，ω为横摆角速度，β为质心侧偏角。
[0027]
对本发明的进一步改进，步骤3中所述参考横摆角速度的获取方式如下：
[0028][0029]
对本发明的进一步改进，步骤3中所述参考质心侧偏角的确定方式如下：
[0030][0031]
轮胎附着极限约束了质心侧偏角的大小，因此有：
[0032][0033]
取β
r1
、β
r2
中绝对值较小者作为所述参考质心侧偏角β
r
。
[0034]
对本发明的进一步改进，步骤4中，是否转入步骤5的判断方法为：
[0035]
根据当前实际的车辆横摆角速度ω
v
和参考横摆角速度ω
r
得到横摆角速度偏差e(ω)＝|ω
c
‑
ω
r
|，根据当前实际的质心侧偏角β
v
和参考质心侧偏角β
r
，得到质心侧偏角偏差e(β)＝|β
c
‑
β
r
|；
[0036]
设置横摆角速度偏差阈值δω和质心侧偏角偏差阈值δβ；
[0037]
若e(ω)≥δω或e(β)≥δβ，则激活基于模型预测的稳定性控制程序，转入步骤5；若e(ω)＜δω且e(β)＜δβ，直接控制转向执行电机跟踪理想稳态前轮转角。
[0038]
对本发明的进一步改进，步骤5中稳定性控制程序对于转向角修正量的确定方式如下：
[0039]
对于车辆二自由度非线性预测模型首先令基础控制量u
b
＝[δ0,0]
′
，其中ξ为系统状态量，δ0为控制周期开始时刻的等效前轮转角；
[0040]
在控制周期中保持基础控制量不变，并得到系统基础状态量的递推关系；
[0041]
基于系统基础状态量的递推关系，得到该控制周期内的线性预测模型；
[0042]
按照模型预测控制算法，以参考横摆角速度和参考质心侧偏角作为跟踪目标值，建立二次规划成本函数，优化求解最优控制序列，取其中的即时控制量，即理想前轮转角和补偿横摆力矩，并控制转向执行电机跟踪修正后的理想前轮转角。
[0043]
对本发明的进一步改进，步骤5中稳定性控制程序对左右车轮进行差动制动时的理想制动力矩的确定方式如下：
[0044]
定义前、后轮负担系数分别为p
f
、p
r
，令p
f
＝1
‑
p
r
；
[0045][0046]
其中α
f
、α
r
分别为前、后轴的侧偏角，忽略车轮的转动惯量，根据各车轮的力矩关系，设置制动力矩为
[0047][0048][0049]
其中，a为前轴到质心的距离，c为左右轮距，r为轮胎滚动半径，m
*
为补偿横摆力矩，和分别为左前轮、右前轮、左后轮和右后轮的理想制动力矩。
[0050]
与现有技术相比，本发明能够实现的有益效果至少如下：
[0051]
(1)本发明所采用的操纵杆可单手操作，相对于传统的转向盘体积大幅缩小，可以充分释放驾驶席前方的空间，便于仪表盘和正面安全气囊的布置。
[0052]
(2)本发明提供的线控转向控制可以替代转向管柱，避免了碰撞事故中转向管柱对驾驶员的二次伤害；且在自动驾驶状态下，操纵杆转角与前轮转角解耦，可防止乘员活动对自动驾驶系统的干扰。
[0053]
(3)通过速度修正，使车辆在低速时转向灵敏，不需要较大的操纵动作；在高速时将转向增益限制在合适的量级，提高操纵容错性。
[0054]
(4)融合稳定性控制程序，当检测到车辆的实际横摆角速度和质心侧偏角与参考值有较大偏差时，通过修正转向角并对左右车轮差动制动，进一步提高紧急转向和路面湿滑等极限工况下的操纵稳定性，减少车辆在极限工况下产生侧滑或激转进而导致失控的情况发生。
附图说明
[0055]
图1是本操纵杆线控转向控制方法的流程图；
[0056]
图2是步骤5中基于模型预测算法的稳定性控制程序的原理示意图；
[0057]
图3是转角修正因子与操纵杆转角的关系图；
[0058]
图4是速度修正因子与行驶速度的关系图。
具体实施方式
[0059]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0060]
请参阅图1，本发明提供的一种操纵杆线控转向控制方法，以操纵杆为驾驶员输入设备，具体包括以下步骤：
[0061]
步骤1、获取操纵杆转角。
[0062]
在本发明其中一个实施例中，驾驶员通过操纵杆的左右自由度输入转向指令，设置在操纵杆下方的转角传感器获取当前操纵杆转角δ
d
。
[0063]
在本发明其中一个实施例中，所述转角传感器为霍尔传感器。可以理解的是，在其他实施例中也可采用其他类型的传感器。
[0064]
在本发明其中一个实施例中，操纵杆转角δ
d
的极限为
±
40
°
。
[0065]
步骤2、根据操纵杆转角大小和当前车速进行修正，得到理想稳态前轮转角。
[0066]
在本发明其中一个实施例中，本步骤具体包括：
[0067]
步骤2.1：根据操纵杆转角大小获得转角修正因子f
δ
。
[0068]
其中，图3给出了一种转角修正因子与操纵杆转角的关系。
[0069]
如图3所示，在
‑1°
到1
°
的范围内，设置转向死区，转角修正因子为0；在
‑
40
°
到
‑5°
以及5
°
到40
°
的范围内，转角修正因子为1；在
‑1°
到
‑5°
以及1
°
到5
°
的范围内，采用正弦曲线过渡，转角修正因子逐渐由0增长到1。通过在转向中位设置一定的操纵死区，降低车辆直行时驾驶员的操纵负担。
[0070]
步骤2.2：根据当前车辆行驶速度计算速度修正因子f
u
。
[0071]
速度修正因子的设计满足以下条件：
[0072]
1)在低速时，即速度小于v1时，前轮转角应能达到极限位置，以保证转向的灵活性。此时速度修正因子为前轮极限转角δ
lim
与操纵杆转角极限的比值。
[0073]
在本发明其中一个实施例中，v1取值v1＝10km/h。
[0074]
在本发明其中一个实施例中，前轮极限转角δ
lim
取值46度，操纵杆转角极限取值40，即f
u
＝46/40＝1.15。
[0075]
2)速度高于v1且小于临界速度v2时，保持操纵杆转角到横摆角速度响应的转向增益值k
r
恒定。
[0076]
速度修正因子与转向增益的关系为：
[0077][0078]
其中k为车辆的稳定性因数，l为轴距。
[0079]
在本发明其中一个实施例中，v2＝118km/h。
[0080]
其中，不同车型可以有不同的转向增益值，同一车型也可以选择不同的转向增益值。该值的约束条件与操纵稳定性和主观驾驶性有关。在本发明其中一个实施例中，根据具体车型的实验，转向增益值k
r
取值1.1963。
[0081]
3)速度高于v2时，维持条件2)中计算得到的v2时的速度修正因子不变。
[0082]
图4给出了一种速度修正因子与行驶速度的关系。
[0083]
步骤2.3：基于转角修正因子f
δ
、速度修正因子f
u
、操纵杆转角δ
d
得到理想稳态前轮转角。理想稳态前轮转角的计算公式如下：
[0084][0085]
步骤3、根据理想稳态前轮转角和车辆的线性二自由度参考模型，计算参考横摆角速度ω
r
和参考质心侧偏角β
r
。
[0086]
在本发明其中一个实施例中，车辆的线性二自由度参考模型由二自由度车辆动力学方程推导出
[0087][0088]
其中，m为整车质量，i
z
为车辆的横摆转动惯量，a、b分别为前、后轴到质心的距离，c
f
、c
r
为前、后轴等效侧偏刚度，u为车辆行驶速度在纵向的分量，ω为横摆角速度，β为质心侧偏角。
[0089]
因此，参考横摆角速度的计算公式如下：
[0090][0091]
基于参考模型的质心侧偏角：
[0092][0093]
轮胎附着极限约束了质心侧偏角的大小，因此有：
[0094][0095]
其中g为重力加速度。参考质心侧偏角β
r
取β
r1
、β
r2
中绝对值较小者。
[0096]
步骤4、判断当前实际横摆角速度和质心侧偏角与参考值的偏差是否达到阈值，若达到阈值，转入步骤5；否则，直接控制转向执行电机跟踪理想稳态前轮转角。
[0097]
在本发明其中一个实施例中，根据当前实际的车辆横摆角速度ω
v
及实际的质心侧偏角β
v
，分别计算与相应参考值的偏差e(ω)＝|ω
v
‑
ω
r
|,e(β)＝|β
v
‑
β
r
|；
[0098]
设置横摆角速度偏差阈值δω和质心侧偏角偏差阈值δβ。若e(ω)≥δω或ee(β)≥δβ，则激活基于模型预测的稳定性控制程序，转入步骤五，此时，车辆可能具有较大的侧向加速度或行驶在湿滑路面上，轮胎侧偏角较大，侧偏力进入非线性区。通过修正转向角和补偿横摆力矩，限制横摆角速度和质心侧偏角与参考值的偏差，使驾驶特性接近线性状态，防止车辆失控；若e(ω)＜δω且e(β)＜δβ，略去步骤5，直接控制转向执行电机跟踪理想稳态前轮转角。
[0099]
在本发明其中一个实施例中，当前实际的车辆横摆角速度ω
v
及实际的质心侧偏角β
v
是通过传感器采集或状态估计得到。
[0100]
步骤5、采用基于模型预测算法的稳定性控制程序修正转向角并对左右车轮差动制动以补偿横摆力矩，限制横摆角速度和质心侧偏角与参考值的偏差，防止车辆失控。
[0101]
在本发明其中一个实施例中，基于模型预测算法的稳定性控制程序对于转向角修正量和补偿横摆力矩的计算，通过以下方法实现：
[0102]
建立车辆的二自由度非线性预测模型：
[0103][0104]
其中f
c
是轮胎侧偏力与侧偏角的函数，下角标f、r分别代表前、后轮，δ是前轮转向角，m是轮胎差动制动产生的横摆力矩。取状态量ξ＝[β,ω]
′
，控制量u＝[δ,m]
′
，上述模型可简记为基础控制量u
b
＝[δ0,0]
′
，δ0为控制周期开始时刻的等效前轮转角。在预测时域内保持基础控制量不变，应用4阶龙格
‑
库塔公式得到系统基础状态量的递推关系为
[0105][0106]
其中，ξ
b
为预估的状态量，t
s
为系统的控制周期,h1、h2、h3、h4是龙格
‑
库塔公式的中
间变量，在当前工作点处将其作一阶泰勒展开，得到该控制周期内的线性预测模型
[0107][0108]
其中，n是变量的序号标记，n
p
为模型预测算法的预测时域，d(n)是中间变量，并且
[0109][0110]
建立成本函数
[0111][0112]
其中ξ
r
＝[β
r
,ω
r
]
′
，δu(n)＝u(n)
‑
u(n
‑
1)，是系统输出量的权重系数，是控制增量的权重系数。定义如下二次规划问题；
[0113][0114]
subj.to u
min
≤u(n)≤u
max
[0115]
δu
min
≤δu(n)≤δu
max
[0116]
n＝,1,
…
,n
u
‑1[0117]
式中,n
u
为模型预测算法的控制时域。按照模型预测控制算法，在每个控制周期求解上述二次规划问题得到预测时域内的控制序列，取其中第一列控制量控制转向执行电机跟踪修正后的理想前轮转角并通过差动制动跟踪理想直接横摆力矩m
*
。
[0118]
当车辆后轴即将侧滑时，在前外轮施加制动力来抑制；当车辆前轴即将侧滑时，同时制动前轮和后内轮。定义前、后轮负担系数分别为p
f
、p
r
[0119][0120]
其中α
f
(n)、α
r
(n)分别是前、后轮的侧偏角，p0可取值0.5～0.7。令p
f
＝1
‑
p
r
。忽略车轮的转动惯量，根据各车轮的力矩关系，设置制动力矩为
[0121]
[0122][0123]
其中，c为左右轮距，和分别为左前轮、右前轮、左后轮和右后轮的理想制动力矩。制动系统通过调节各车轮制动轮缸的压力以达到该理想值。
[0124]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。